基于最小二乘法的單站無源快速定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無源定位方法，可用于單站偵察。
【背景技術(shù)】
[0002] 無源定位是指由單個偵察設(shè)備或者多個偵察設(shè)備在探測到散射源或者輻射源并 獲得有關(guān)定位參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用適當?shù)臄?shù)據(jù)處理手段，確定出散射源或輻射源在三維空 間中的位置。
[0003] 無源定位可以簡單分為多站定位和單站定位。多站定位通過部署在不同地理位置 的站點接收到的目標輻射信號進行信號級別或者數(shù)據(jù)級別的融合，從而達到定位的目的。 在通信設(shè)備定位中應(yīng)用較廣；而雷達發(fā)射天線往往波束較窄，很難保證多個接收站能接收 到目標信號，同時多站的時間同步機制要求設(shè)備復雜，而單站定位由于幾乎沒有上述問題， 因而得到了廣泛的關(guān)注。
[0004] 單站無源定位通過單一觀測平臺被動接收輻射源信號完成目標定位，是獲取目標 位置信息的重要手段，已經(jīng)應(yīng)用到重要目標位置監(jiān)視、緊急營救、智能交通以及反恐維穩(wěn)等 領(lǐng)域。單站定位與多站定位相比最大特點是只有一個觀測平臺，設(shè)備簡單、部署靈活、機動 性能強，因此在星載、機載、艦載等多種運動平臺目標定位方面發(fā)揮了重要作用。
[0005] 目前單站定位方法的研究，包括測向定位、到達時間差定位、多普勒頻率及其變化 率定位、相位差及其變化率定位以及上述的組合定位法等。其中，多普勒頻率變化率定位和 相位差變化率定位較為常用，這兩種方法為了提高目標定位跟蹤能力，采用了如包括牛頓 迭代方法、卡爾曼濾波及其擴展方法、貝葉斯估計理論的粒子濾波方法等。2004年開始，意 大利在直升機上采用雙天線實現(xiàn)多普勒變化率定位實驗。該方法在飛機兩側(cè)放置2個干涉 儀天線，利用其頻率差測量結(jié)果定位。實驗結(jié)果顯示該方法的最佳位置在兩側(cè)斜視角±45 度處，其他位置均將下降；在定位距離約5km，定位35秒時間條件下，目標定位誤差將超過 10%〇
[0006]上述的單站定位方法都是利用了目標與偵察設(shè)備位置變化的非線性變化特性，采 用了非相干的積累方法實現(xiàn)目標位置的估計。但是隨著現(xiàn)代雷達技術(shù)的發(fā)展，雷達的射頻 源穩(wěn)定度得到了明顯提高;雷達在成像、空時處理等模式下，都會有較長的信號穩(wěn)定期，偵 察獲取信號的相干性明顯增強。常規(guī)的單站定位方法不能有效的利用信號的相關(guān)性，需要 很長的積累時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于最小二乘法的單站無 源快速定位方法，以減小運算量，改善定位精度，實現(xiàn)快速定位。
[0008] 本發(fā)明技術(shù)思路是，將合成孔徑成像雷達的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到偵察領(lǐng)域，利用輻射 源的相干性，將長時間積累信號虛擬合成長的天線陣列，使其不滿足遠場條件，即天線陣列 的二次相位無法忽略；利用最小二乘法對該不可忽略的二次相位進行估計，進而利用二次 相位與輻射源距離的反比關(guān)系實現(xiàn)對輻射源目標位置的估計。其實現(xiàn)步驟包括如下：
[0009] (1)偵察設(shè)備做勻速直線運動，對接收信號進行瞬時測頻和測向，得到測頻結(jié)果/ 和測向結(jié)果#，.并利用測頻結(jié)果/進行混頻消除載頻，得到基帶信號Ur(t);
[0010] (2)對基帶信號Ur(t)進行積累，得到一組積累的基帶信號：
[0011] Url(t) ,Ur2(t) , 1''Uri ( t) ''Urn (t ) , ? = 1,2,3 ·''Π ,
[0012]其中，n表示積累脈沖總個數(shù)；
[0013] (3)對積累的基帶信號進行匹配濾波：
[0014] (3a)在積累的基帶信號中選擇其中一個作為參考信號urQ(t);
[0015] (3b)將參考信號urQ(t)與所有積累脈沖信號進行卷積，得到一組卷積結(jié)果m(t)， U2(t) , ???Ui(t)-'-Un(t)；
[0016] (4)對每個卷積結(jié)果m(t)進行多倍插值，得到采樣信號^(〇,提取插值結(jié)果Vl(t) 峰值處的采樣復信號um(t)，得到峰值采樣復信號矩陣：
[0017] M= [uui(t) ,UU2(t) , ???UUi(t) ???UUn(t)]；
[0018] (5)利用峰值采樣復信號矩陣M的相位信息進行最小二乘估計，得到最優(yōu)調(diào)頻率
[0019] (5a)利用測向結(jié)果&構(gòu)建多普勒補償信號；
[0021 ] 其中，ru = iTpri，ru表示輻射源脈沖到達時間，Tpri表示輻射源脈沖重復周期；
[0022] (5b)用η個多普勒補償信號g(m)，g(n2)"_g(ni)…g(nn)，構(gòu)建多普勒補償信號矩 陣 G=[g(m)，g(n2)."g(ni)…g(nn)];
[0023] (5c)將多普勒補償信號矩陣G與峰值采樣復信號矩陣Μ進行點乘，獲得乘積矩陣 Mg，提取乘積矩陣Mg的相位信息，得到相位矩陣：
[0024] Φ = [^(-Vi ) ·ψ{Πη)] ?
[0025] (5d)利用相位矩陣Φ的元素和輻射源脈沖到達時間ru，按照下式估計出最優(yōu)調(diào)頻 斜率Λ:
[0027] (6)根據(jù)最優(yōu)調(diào)頻率Λ獲得補償后的信號矩陣M。：
[0028] (6a)利用最優(yōu)調(diào)頻率爲構(gòu)建補償信號矩陣H=[h(m)，h(n2)…Μη?)···Μηη)]，其 中，h(ru)為補償信號；
[0029] (6b)將補償信號矩陣Η與峰值采樣復信號矩陣Μ進行點乘，消除峰值采樣復信號關(guān) 于時間的二次相位，得到補償后的信號矩陣：
[0030] Mc= [uui(t)h(ni), ***uui(t)h(rii)***uun(t)h(rin)];
[0031] (7)對補償后的信號矩陣Μ。進行傅里葉變換得到多普勒頻率$，計算高精度的測 向結(jié)果邊_;
[0032] (8)利用高精度的測向結(jié)果4^，計算輻射源和偵察設(shè)備的距離h
[0033] (9)結(jié)合高精度的測向結(jié)果^_和輻射源和偵察設(shè)備的距離卩，得到輻射源位置。
[0034] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0035] 第一，相對于傳統(tǒng)的定位方法，本發(fā)明利用了輻射源的相干性，縮短定位時間，可 以實現(xiàn)快速定位；
[0036] 第二，將合成孔徑雷達的原理應(yīng)用在雷達定位中，將長時間積累的信號虛擬合成 長的天線陣列，實現(xiàn)對目標的精確角度測量；
[0037] 第三，利用虛擬長天線陣列不滿足遠場條件，即接收信號關(guān)于時間的二次相位無 法忽略的特性，利用最小二乘法得到距離參數(shù)，提高定位精度。
【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0039] 圖2是本發(fā)明的定位誤差圖；
[0040] 圖3是本發(fā)明方法的定位時間與相位差分法定位時間的對比圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的描述。
[0042] 參照圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0043]步驟1、獲取基帶信號。
[0044] 本發(fā)明采用做勻速直線運動的偵察設(shè)備，對接收信號進行瞬時測頻和測向，得到 測頻結(jié)果/和測向結(jié)果A并利用測頻結(jié)果/進行混頻消除載頻，得到基帶信號u r(t)，測頻 誤差要求較低，小于1MHz即可。
[0045] 步驟2、積累基帶信號。
[0046] 對基帶信號ur(t)進行積累，即每進行一次混頻得到的基帶信號進行儲存，累計得 到一組基帶信號：
[0047] Url(t) ,Ur2(t) , 1''Uri ( t) ''Urn (t ) , ? = 1,2,3 ·''Π
[0048] 其中，n表示積累脈沖總個數(shù)。
[0049] 步驟3、對積累的基帶信號進行匹配濾波。
[0050] 在積累的基帶信號中選擇其中的任意一個作為參考信號urQ(t)，將該參考信號ur0 ⑴與所有積累的信號Url⑴，1!:2(〇，~11:辦卜_11" 1(〇分別做卷積，得到匹配濾波結(jié)果：
[0051 ] Ul(t) ,U2(t), ???Ui(t)---Un(t)
[0052]步驟4、多倍插值，提取峰值采樣復信號。
[0053] (4a)對每個卷積結(jié)果m(t)分別進行傅里葉變換，將卷積結(jié)果m(t)轉(zhuǎn)換到頻域，并 在頻域中心插入(K-l)Nf個零，得到插值后的頻域信號，其中，Nf為傅里葉變換后的數(shù)據(jù)個 數(shù)，K為插值倍數(shù)，取值為2的整數(shù)次冪，本實例K取8;
[0054] (4b)對插值后的頻域信號進行逆傅里葉變換，將信號恢復到時域，得到采樣信號 Vl(t);記錄采樣結(jié)果Vl(t)達到峰值時的時間tmax，提取時間t max對應(yīng)的峰值采樣復信號um (t) - V i ( tmax )；
[0055] (4c)對所有的卷積結(jié)果ui(t)，U2(t)，…Ui(t)'"un(t)進行(4a)_(4b)處理，得到一 組峰值采樣復信號:UUl(t)，UU2(t)，- t)-_uun(t)，形成峰值采樣復信號矩陣M= [uui (t) ,UU2(t) , ]。
[0056] 步驟5、利用峰值采樣復信號矩陣M的相位信息進行最小二乘估計，得到最優(yōu)調(diào)頻 率爲:
[0057] (5a)利用測向結(jié)果#，構(gòu)建多普勒補償信號；
[0059] 其中，iu = iTpri，ni表示輻射